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Física

Choque de partículas

Experimentos en el acelerador de la USP revelan el comportamiento de los núcleos exóticos

Han salido los primeros resultados científicos originales de los experimentos hechos en São Paulo con una máquina que está revelando un poco más del comportamiento de partículas atómicas llamadas núcleos exóticos, dotados de más protones o neutrones que los núcleos estables de los mismos elementos químicos. En el equipamiento conocido como Ribras, la sigla en inglés de Haz de Iones Radioactivos, instalado hace dos años en el Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (USP), núcleos exóticos del elemento químico helio – o helio 6 – chocaron con un objeto fijo, formado por una película de aluminio puro.

Los físicos verificaron que la probabilidad de que ese núcleo exótico de helio se partiera, después de chocar con los núcleos de aluminio, es solamente de 10% a 20% mayor que la de otras partículas que no presentan una nube poco densa formada por dos neutrones que giran al rededor del centro – el halo, típico del helio 6.

De esas colisiones, que duran menos de una mil millonésima parte de un segundo, surgen las informaciones que ayudan a entender más profundamente las reacciones que originaron los elementos químicos hace alrdedor de 14 mil millones de años, en la formación del Universo, y las que aún hoy ocurren en el interior de estrellas como el Sol, de las cuales resultan la luz y el calor para la Tierra. Se puede también conocer mejor los límites de las fuerzas que actúan entre las partículas elementales de la materia.

Grandullones
Algunas especies de núcleos exóticos son mucho mayores que los núcleos con el mismo número de partículas. Es el caso del helio 6, formado por dos protones (partículas con carga eléctrica positiva) y cuatro neutrones (sin carga eléctrica) – dos neutrones más que el helio 4. Son esos dos neutrones extras que forman el halo, una especie de anillo con un diámetro igual al del núcleo del plomo 208, con 82 protones y 126 neutrones.

En los últimos años, en aceleradores de partículas de Francia, de Bélgica o de Estados Unidos, los físicos estudian cómo los neutrones del halo pueden tener influjo en la colisión con otros núcleos. En eses experimentos, el helio 6 choca con núcleos dotados de una masa mucho mayor que la del aluminio 27, como el uranio 238 y el plomo 208. En esos casos, según Alinka Lépine-Szily, investigadora del Instituto de Física de la USP, el intenso campo eléctrico de los núcleos más pesados repele al helio 6, ya que los dos núcleos presentan carga positiva, y el helio 6 se deshace aún antes de la colisión nuclear.

En 2001 y 2002, Alinka integró el equipo que preparó y analizó algunos de esos experimentos, realizados en el acelerador del Centro de Investigación de Ciclotrón en Louvain-la-Neuve, en Bélgica. Esos trabajos mostraron que los núcleos exóticos, a pesar de ser refugio de las partículas extras y que se rompen fácilmente durante la colisión, se funden con otros núcleos del mismo modo que los núcleos normales. Detallada en un artículo publicado en octubre del 2004 en la revista Nature, esta conclusión contrarió no sólo la intuición sino también los modelos teóricos, según los cuales los núcleos exóticos serían donadores naturales de protones o neutrones.

De regreso a Brasil, Alinka planeó otro tipo de experimento con los otros dos investigadores del Ribras, Rubens Lichtenthaler Filho y Valdir Guimarães, y con un físico nuclear experimental, Paulo Silveira Gomes, de la Universidad Federal Fluminense (UFF). Escogiendo como objetivo para el helio 6 un núcleo atómico mucho más liviano, el aluminio 27, cuyo núcleo está formado por 13 protones y 14 neutrones, consiguieron reducir la barrera coulombiana, definida como potencial eléctrico repulsivo entre los núcleos en colisión, que hace que los núcleos se rompan antes de la colisión nuclear.

“Esos fueron los primeros experimentos de colisiones de núcleos exóticos con objetivos ligeros en bajas energías, próximas de la barrera coulombiana”, dice Alinka. “Queríamos descubrir cual es la probabilidad de que el helio 6 se rompa al chocar con un objeto con un campo electromagnético mucho más tenue.” Era una forma de hacer el núcleo exótico llegar intacto cerca del objetivo a punto de ser atraído por una de las fuerzas elementales, la interacción nuclear fuerte, que mantiene las partículas próximas entre sí.

Durante una semana, en diciembre de 2004, los físicos de la USP, en colaboración con el grupo de Gomes, trabajaron día y noche en esos experimentos. Creaban haces de iones (partículas eléctricamente cargadas) en el octavo piso de la torre que abriga el acelerador de partículas de la USP, el Pelletron, inaugurado en 1972. Los haces son acelerados, bajan a la superficie y son desviados hacia varios equipamientos – uno de ellos es el Ribras, con 7 metros de largura.

De cada un millón de núcleos de helio 6, sólo aproximadamente un núcleo seguía exactamente en dirección del objetivo, vencía la barrera coulombiana y choca con el núcleo de aluminio. En consecuencia del choque, podría fragmentarse, a veces perdiendo los dos neutrones más alejados del corazón del núcleo, que podrían – o no – ser incorporados por el objetivo. Otra posibilidad sería que, después de la colisión, se desviase como si nada hubiese sucedido, como una bola de billar golpeando otra.

Los físicos verificaron entonces que la probabilidad de que el helio 6 se rompa es mayor que la de otras partículas normales, cuyo comportamiento ya había sido caracterizado por medio de experimentos hechos por otros grupos de investigación en los últimos años. Esos resultados serán anunciados en marzo en un congreso internacional sobre fusión nuclear y constituyen la materia prima de la tesis de doctorado de una de las alumnas de Alinka, Elisangela Benjamin, presentada a fines de enero.

Compensación
Fue el físico teórico Mahir Saleh Hussein, también del Instituto de Física de la USP, quien concluyó que el helio 6, debido a los dos neutrones del halo, que no se rompe tan fácilmente, presenta una chance de fragmentarse de 10% a 20% mayor que los núcleos normales. Sin embargo, los núcleos de helio 6 también se preservan porque son grandullones. La fragilidad y el gigantismo actúan inversamente, una característica compensando la otra, por causa del Principio de Heisenberg, una de las leyes básicas de la mecánica cuántica, el área de la física que trata de explicar el comportamiento muchas veces aparentemente sin reglas de las partículas atómicas. “Debido al Principio de Heisenberg”, dice Hussein, “las partículas débilmente ligadas ocupan áreas mayores en el espacio”. Según él, ese mecanismo de compensación ayuda a preservar la integridad del núcleo.

“Sería bárbaro si hubiese un incremento en la fusión cuando usamos núcleos exóticos”, dice Hussein. Si la fusión aumentase, los núcleos exóticos podrían ser vistos como donantes de neutrones y protones – algo que facilitaría no sólo la investigación sino también las aplicaciones de la física para diagnósticos y tratamientos médicos. En un artículo de 111 páginas publicado este mes en la revista Physics Reports, Hussein y otros dos físicos teóricos de la Universidad Federal de Río de Janeiro (UFRJ), Felipe Canto y Raul Donangelo, además de Gomes, de la UFF, plantean la teoría que ayuda a explicar resultados experimentales obtenidos en los aceleradores de partículas de Bélgica, Francia, Estados Unidos, Japón, Italia y Brasil. En esos aparatos se busca reproducir las reacciones que originaron el Universo y los propios seres humanos.

Aproximadamente el 80% de nuestro cuerpo está constituido por agua, formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno – todos bastante antiguos. El núcleo de hidrógeno, con apenas un protón, se formó minutos después del Big Bang, la explosión que habría originado el Universo, hace 14 mil millones de años. En tanto, los átomos de hidrógeno – un electrón girando alrededor de un protón – se constituyeron 400 mil años después.

Y sólo mil millones de años más tarde, a medida que el Universo se enfriaba y se expandía, comenzaron a formarse – en el interior de las estrellas, como resultado de la fusión de elementos químicos más ligeros – el oxígeno, que constituye el 61% de la masa del organismo humano, el carbono, que responde por el 23%, y todos los otros elementos químicos más pesados, como el nitrógeno, calcio, fósforo y ferro. Inicialmente sueltos en el espacio, poco a poco se unieron en nubes que se pusieron tan densas al punto de originar planetas como la Tierra y sus formas de vida.

Aún hoy en día se forman hidrógeno y helio en el Sol, el oxígeno y el carbono en las estrellas mayores, del tipo nova, y elementos químicos aún más pesados, como el sodio, el uranio y el plomo, en las explosiones de supernovas, con una masa miles de veces mayor que la del Sol. Equipamientos como el Ribras funcionan como si fuesen una estrella del tipo nova, al formar núcleos ricos en protones y neutrones de medio porte.

Además del helio 6, los físicos de la USP ya produjeron núcleos de litio 8, con un neutrón más que el litio normal, de berilio 7, con dos neutrones menos, y de boro 8, con dos neutrones menos que el boro normal. Lanzándolos contra átomos estables y más imponentes – como el vanadio 51, reproduciendo experimentos ya realzados por otros grupos, y ahora con el aluminio 27, como no había sido hecho –, descubren como los núcleos exóticos se pueden romper.

Otros experimentos de este tipo tal vez demoren un poco. Aunque sea nuevo y se equipare a otros equipamientos avanzados en el exterior, el Ribras depende del Pelletron, un acelerador de partículas que requiere constante mantenimiento. Y ya no es muy fácil encontrar piezas de repuesto, que dependen de la importación, informa Valdir Guimarães mientras muestra la sala de comandos del acelerador, formada por una mezcla de equipamientos típicos de los años 1970, al lado de otros, más recientes. Inmediatamente después de los experimentos con el helio 6 el Ribras paró de funcionar porque una pieza del Pelletron se rompió. Los físicos creen que la pieza será cambiada y el Pelletron y todos los otros equipamientos que él atiende volverán a lo normal ya en el primer semestre de este año.

El Proyecto
Estudio de núcleos exóticos con haces radioactivos producidos en el Laboratorio Pelletron-Linac del IF/USP
Modalidad
Proyecto Temático – Programa Núcleos de Excelencia (Pronex)
Coordinadora
Alinka Lépine-Szily – IF/USP
Inversión
R$ 585,000.00 reales (FAPESP y CNPq)

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